爆炸容器动态径向变形非接触测量技术

　　1　引言

　　爆炸容器用于封闭高能炸药的爆炸效应,限制爆炸冲击波和爆炸产物的作用范围,对人员和设备实现有效防护,便于实验观测和测试的安全,并保护环境[1]。在军事领域,爆炸容器主要用于爆炸实验、核武器和化学武器的贮存和运输、武器的销毁。因此,爆炸容器的强度和耐久性研究对从事爆炸容器设计和安全评估的工程技术人员有非常重要的价值,而爆炸容器在内部爆炸载荷作用下的动态变形参数是进行强度分析、工程设计和安全评估的重要依据。爆炸容器在爆炸载荷作用下发生高应变率弹塑性变形,检测时受量程、动态响应和安装方式等的限制,传统的接触式测量方法(如动态应变式传感器、电感式传感器、电阻式传感器、电容式传感器、光栅传感器等)很难准确测到完整的动态弹塑性变形过程,对安全评估造成较大误差;　　非接触式的电涡流式传感器测量,虽然频率响应可达10 kHz,但是连续测量受剩磁的影响,此外,传感器探头直径随量程增加,且要求被测物体的尺寸达到3倍探头直径才能准确测量;激光干涉测量,具有精度高的优点,但是其测量范围较小;激光三角反射法测量响应频率可以达到10 kHz,但是这种方法需要有较大的光发射和接收视场,测距不能大于70 cm,因此,这些方法的使用都受到很大限制[2]。

　　激光多普勒位移测量技术[3]具有精度高、信噪比高、动态响应快、线性好、抗干扰能力强、测量范围大和非接触等特点,在远距离目标的振动位移和变形等动态参数的检测上具有明显优势,是一种有发展前景的位移和变形遥测技术[4],可广泛应用于机械、航空、建筑和军事等工程领域中[5-6]。本文研究基于激光多普勒效应的非接触远距离动态位移测量技术,在此基础上,研制一种专用于测量爆炸容器在爆炸载荷作用下的动态径向变形的激光多普勒测量系统。

　　2　光学系统原理和结构

　　2.1　多普勒效应和光学差拍[7]

　　任何形式的波传播,由于波源、接收器、传播介质或中间反射器(或散射体)的运动,均会使波的频率发生变化,这种频率变化称为“多普勒频移”。光波也有这种频移,称为“光的多普勒效应”。当测量物体沿光传播的纵向运动时,多普勒频移方程为

　　由测得的多普勒频移脉冲数可求得运动物体的位移,根据式(2),λ/2为测量方法对位移量的分辨能力,每一个完整的差拍信号对应一个λ/2的位移量,对于He-Ne激光器,这种数据处理方法的位移量分辨能力为0.316 4μm,并可以通过细分的数据处理方法提高分辨能力。

　　测量多普勒频移fD的直接方法是利用高分辨能力的光谱仪和Fabry-Perot干涉仪,这种方法的频率分辨能力只有5 Hz,只适用于马赫数为0.5以上的速度测量,因而限制了其应用范围。在实际中被测物体速度和光速相比要小得多,相应的多普勒频移fD很小,超出光谱仪的最高分辨能力,不可能直接采用光谱仪进行测量,只能采用间接方法—光学差拍技术来测量多普勒频移fD。光学差拍是不同频率的两束光束的时间干涉,并通过光电检测器将叠加的两束光信号转换成包含差拍频率的电流信号输出